学位论文简介

随着智能网联汽车的快速发展，车内通信网络面临高带宽、低时延的严苛需求。传统控制器局域网（CAN）受限于带宽和数据负载能力，难以满足新一代汽车对网络性能的刚性需求，而时间敏感网络（TSN）凭借高带宽和确定性传输优势，成为重要补充。因此，CAN-TSN网络架构成为行业主流方案，但协议适配、资源争用及不同优先级业务流间的相互干扰等问题仍制约网络性能。本文围绕CAN-TSN网络架构的实时性能优化展开研究，主要创新如下：

（1）针对CAN与TSN协议机制不适配导致的传输效率问题，提出两阶段CAN-TSN网关调度器，结合帧聚合和探索性调度优化策略，优化网络负载和帧接受率。实验表明，与现有方案相比，该调度器在抢占与

非抢占模式下分别将CAN帧平均接受率提升了4.30%与8.20%，为CAN-TSN网关实现高效的数据传输提供了有效的解决方案。

（2）针对时间触发（Time-Triggered, TT）帧因实时性要求和带宽需求差异导致的资源争用与传输冲突问题，设计TSN交换机数据帧分片机制（PFV2），通过数据帧动态分片和深度映射方案，有效减少传输冲突并提高带宽利用率。实验验证，该机制使TT帧接受率提升了20.18%，带宽利用率提高了7.02%。基于车规级SJA1105Q-EVB以太网交换机的硬件平台实测数据进一步验证了PFV2机制的有效性。

（3）针对TSN中不同优先级业务流相互干扰导致的软实时音视频（Audio Video Bridging, AVB）帧时延难以量化问题，提出精化端到端时延分析方法（FGR），降低时延分析的悲观性。实验结果表明，相较于现有端到端时延分析方法，FGR将时延分析结果的保守性降低了8.34%。基于硬件测试平台的实测数据表明，所有AVB帧的实际传输时延均严格分布于FGR计算的时延上界范围内，这进一步验证了FGR在确保时延边界安全性的同时，提供了更准确的时延上界。

主要学术成果

[1] A Mixed-Criticality Traffic Scheduler with Mitigating Congestion for CAN-to-TSN Gateway.” ACM Transactions on Design Automation of Electronic Systems 29.5 (2024): 1-28. (第一作者，CCF B，已发表，对应论文第3章)

[2] A Conflict-Free CAN-to-TSN Scheduler for CAN-TSN Gateway. Journal of Systems Architecture 153 (2024): 103188. (第一作者，CCF B，SCI二区，已发表，对应论文第3章)

[3] PFV2: Packet Fragmentation with Variable Size and Vigorous Mapping in TimeSensitive Networking. Journal of Systems Architecture. 2025. (第一作者，CCF B，SCI二区，已接收，对应论文第4章)

[4] Fine-Grained Refinement in TSN Timing Analysis. IEEE Transactions on Computer Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2025. (第一作者，CCF A，在投，对应论文第5章)

[5] A Novel Message Packing Strategy for Time-Sensitive Networking[C]//2022 IEEE Smartworld, Ubiquitous Intelligence & Computing, Scalable Computing & Communications, Digital Twin,Privacy Computing, Metaverse, Autonomous & Trusted Vehicles(SmartWorld/UIC/ScalCom/DigitalTwin/PriComp/Meta). IEEE, 2022: 2069 2075. （第一作者，EI国际会议，已发表）

[6] Quality of Service Improvement for Critical Flows via Dual-Queue Transmission in Fault-Tolerant Time-Sensitive Networking. Journal of Systems Architecture, 2025 (通信作者，CCF B，SCI二区，小修)

[7] DC-GCL: Dynamically Configurable Gate Control List in TSN Switch for ADAS. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2025. (第三作者，CCF A，大修)

[8] Paddle Lite on Zephyr: Deploying AI Models in RTOS for Inference Acceleration. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems. 2025. (第三作者，CCF A，小修)